水轮机导叶端面间隙值设置及密封结构设计探讨

应金仁

(东芝水电设备(杭州)有限公司,杭州 310000)

0 前 言

合理地设置导叶端面间隙值和设计密封结构，对水轮机运行非常重要。众所周知，机组的效率、运行稳定性和检修维护周期是检验水轮机性能的重要方面。通过对导叶端面间隙值及密封结构方式优化设计，可以避免因导叶端面间隙值出现异常，防止端面间隙值加大，上、下导叶端面间隙值不对称、导叶密封失效，水轮机效率下降，机组开、关等稳定性降低等现象的产生，从而满足水轮机大修周期要求。本文根据已运行电站成功的优化设计经验，针对水轮机导叶端面间隙值与密封结构方式应用，提出若干意见供探讨。

1 导叶端面间隙值设置

导叶端面间隙值设置，结合水电站的实际情况综合确定，主要按以下3个方面进行确定：导叶作为水轮机通流部件的要求，导叶本体制造公差及导水机构尺寸链公差，水轮机安装技术要求。

1.1 GB和IEC标准的相关规定

对于导叶端面间隙值，GB/T 10969-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》和IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》作了详细规定：真机间隙应小于模型的放大值，导叶端面间隙单个值与平均值的允许偏差不大于±50%，导叶漏水量不大于额定流量的3%。以上作为保证水轮机性能的要求，结合规定的水轮机导叶漏水量要求，在确定导叶端面间隙值时必须保证，可以理解为最低要求。

1.2 导叶及导水机构装配尺寸链公差

导叶与顶盖、底环之间总间隙由设计及加工制造决定。可细化为导叶两端面的平行度，顶盖与底环的导叶同轴度，顶盖、底环、座环安装平面不平行度误差，测量误差等因素，立式水轮机导水机构装配尺寸链见图1。即顶盖、底环定位面间的距离A，导叶本体高度B，底环高度C，顶盖过流面到定位面间的距离D，确定导叶端面总间隙δ=A-B-C-D。在通常情况下，水头较低，导叶高度较高，总间隙值越大；反之亦然。按照一般车床达到的IT07加工精度，导叶本体公差按IT08(B0)比较合适，其他因素在IT10(B0)和IT11(B0)之间，总间隙通常在IT08(B0)+ IT10(B0)与IT08(B0)+ IT11(B0)之间。

图1 立式水轮机导水机构装配尺寸链图

1.3 若干水轮机导叶端面间隙

对若干已成功运行电站立式水轮机导叶端面间隙进行统计，导叶端面间隙统计见图2，结果表明导叶端面间隙均在以上范围内。若干电站的导叶高度及导叶端面间隙见表1。

表1 若干电站导叶高度及导叶端面间隙表

图2 导叶端面间隙统计图

1.4 导水机构安装技术要求

GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》中对基础环、座环、顶盖、底环的安装允许偏差作了规定，具体见表2。常规电站端面间隙值应满足最大安装公差。

表2 基础环、座环安装允许偏差表

以某电站为列，转轮直径为2.64 mm，底环安装面直径为2.96 m，安装径向平面度允许偏差为2.96×0.05=0.148 mm，周向平面度允许偏差为0.30 mm。底环上平面水平安装允许误差为0.35 mm，因同轴度1.0 mm引起的导叶倾斜度对端面间隙的影响几乎可以不计，因此最大综合值为0.68 mm。该电站设置的端面总间隙为0.70 mm，满足安装要求。

1.5 小型机组导叶端面间隙值

对于小型机组，导叶端面间隙值可按中小型质量分等标准，见表3。

表3 按中小型质量分等标准表

2 不同导叶端面密封结构设计

对于立式水轮机端面密封结构，比较应用广泛的有弹性压板式金属密封，偏心导叶端面金属密封，压板式聚氨酯密封等。

弹性压板式金属密封是在抗磨板的导叶关闭位置上设置带弹性垫的黄铜密封，可使机组停机时导叶漏水量最小。端面密封主要由减震垫、密封环、压板及固定螺栓组成的。弹性压板式金属密封见图3。

图3 弹性压板式金属密封图

对于带翼大端面偏心活动导叶，采用导叶端面金属密封，可提高水轮机的效率，同时可有效降低停机漏水，避免间隙空蚀。设置端面导叶轴承防砂密封，可有效地防止泥砂进入导叶轴承，具有自补偿性能，该密封结构见图4。

图4 偏心导叶端面金属密封图

对轴流式水轮机，由于过流量大，导叶端面接触面积大，采用聚氨酯密封条、不锈钢密封压板、紧固螺钉组成的密封形式。聚氨酯超耐磨且有一定弹性，避免金属端面密封之间大面积接触的磨损，密封性能良好，具体见图5。对于轴流式机组，立面间隙比端面间隙更重要。

图5 压板式聚氨酯端面密封图

3 现场安装注意事项

现场安装过程中，需注意一些安装事项，以达到设计最优值。止推轴承应安装到位，并进行与导叶臂之间的间隙测量，间隙值为0.1 mm，防止活动导叶上浮产生上、下端面间隙不一致的情况。

活动导叶通过端盖提升螺栓调整上、下端面间隙，通过在控制环抗磨板上旋转，并通过端盖和导叶之间的紧固螺栓连接进行的。端盖与导叶之间间隙、控制环与抗磨板之间间隙需在提升导叶安装过程中消除，防止在动作时导叶下沉，使底部间隙变小。

导叶端面间隙采用塞尺和百分表测量，以塞尺为准，结合百分表监测，用专用工具提升导叶到顶部，用塞尺测量底部间隙，符合端面设计间隙要求。调整好端面间隙值不但能够容易打开、关闭导叶，减少漏水量，而且可以延长端面密封的使用寿命。

4 设计过程中的建议

4.1 应考虑影响端面间隙值的几个因素

在设计过程，应充分考虑影响导叶端面间隙值的因素，主要有温度、冲水后顶盖的上抬量、导叶高度、导水机构尺寸链公差、现场安装允许公差，水质，端盖与导叶无间隙措施以及控制环与抗磨环无间隙措施等。

因温度不同受热胀冷缩的影响，导叶总间隙在夏天比冬天小。在厂内预装过程中，应考虑温度变化的影响。设计上考虑在冲水后顶盖将上抬0.15～0.4 mm左右，厂内预装时应满足下端面间隙比上端面间隙小，流道充水后基本满足上、下端面间隙相同。导叶高度工厂内加工公差。安装时保证端盖与导叶间、控制环与抗磨环间无间隙，防止导叶下沉等。

4.2 选择合理的端面密封结构

从电站水头和水质含沙量等重要因素，考虑匹配性，建议端面密封结构设计和导叶端面间隙值设置如下。对高水头电站，考虑泥沙磨损影响，适当减少端面间隙值。导叶端面密封方式及相关内容见表4。

表4 导叶端面密封方式及相关内容表

5 结 语

目前很多电站的技术合同中规定导叶端面间隙值有应满足水轮机通流部件技术条件和IEC60041标准，并规定真机端面间隙值应小于按照模型放大的端面间隙值。因此生产厂家也是按合同要求进行严格控制的。但生产厂家往往不会局限于某一标准，结合自己的优化设计经验制定相关设计基准。总的来说，在工厂现有数控加工条件下，尽可能地减少导叶端面间隙值应是一种发展趋势。根据许多电站不同条件，目前已成功采用了合适的端面密封结构及导叶端面间隙值。本文结合电站优化设计经验，提出立式水轮机导叶端面间隙值设置和端面密封结构设计若干意见供探讨。